油管柱在套管中的屈曲行为试验研究

油管柱在套管中的屈曲行为对油气生产有重要影响。依据相似理论,采用1:10的比例尺以缩小的油管、套管模型进行了3组试验,安装分别为:①油管和套管上下同心; ②油管上部偏心2.5 mm; ③油管上下都朝同一个方向偏心2.5 mm。每次试验时都在油管的一端连续施加轴向载荷,测试油管另一端的轴向载荷。分析不同条件下摩擦力的变化,研究结果表明:管柱受压屈曲会导致摩擦力增大; 管柱相对套管的偏心对轴向力的分布影响很小; 证明了管柱力学分析理论中轴向力计算时油管与套管同心的假设是合理的。     

基于ANSYS Workbench完井管柱流固耦合振动固有频率分析

试油完井工况下,处于高温高压环境中的管柱易受到压力、轴向力、温度以及流固耦合作用的影响而引发振动。以完井管柱为研究对象,在ANSYS Workbench中建立完井管柱的有限元模型,用六面体八节点单元进行了网格划分,并对流体和固体设置流固耦合交界面,分析了内压、轴向力以及流固耦合作用对完井管柱固有频率的影响。研究结果表明,完井管柱的固有频率随着管柱内压的增加而减小;完井管柱固有频率随着轴向力的增加而增加;流固耦合作用会降低管柱的固有频率。当管柱内流体为天然气时,管柱的固有频率减小1.4%;当管柱内流体为水时,管柱的固有频率减少18%,液体与管柱流固耦合作用对管柱固有频率的影响大于气体。该分析为试油完井管柱安全性评估和结构优化提供了理论支持。     

深水测试管柱应力分布规律与动态响应分析

为了研究深水测试管柱在不同工况下的应力分布规律及内压波动对管柱动态响应参数的影响,根据深水测试管柱作业特点及结构,推导了测试管柱的轴向力、轴向应力、径向应力和环向应力计算公式,建立了海水段测试管柱的横向及纵向振动模型。根据不同工况,建立了测试管柱的有限元模型,进行了测试管柱最大应力及内压波动下的动力响应分析。研究结果表明:测试管柱各段的最大应力随水深的增加而减小、随悬挂力的增大而增大;由于泊松耦合的影响,最大应力与水深的变化率随着内外压差的增大而增大;初开井前,由于测试管柱的内加压和环空泄压,测试管柱出现最大应力,其值为255.7 MPa,但各工况下测试管柱的安全系数满足强度使用要求;内部压力波动周期对测试管柱的应力响应影响显著,低周期的内压波动使管柱应力过度增大,管柱易发生危险。研究结果可为深水测试管柱的强度研究提供一定的指导。     

连续管水平井钻磨作业力学分析

连续管在水平井钻磨作业时,易发生屈曲变形而使轴向力传递效率降低,严重时可能由于轴向力降为0而发生自锁。在充分考虑屈曲、摩擦、弯矩、内外液体阻力等因素的影响下,建立了连续管在水平井钻磨作业过程中的力学模型,并分别推导出直段和弯曲段有效轴向力、接触力和摩阻力的数学模型。由所得的理论模型计算可知,连续管失稳屈曲类型主要是螺旋屈曲;改变连续管初始端的注入力大小对最大注入深度和增加钻压几乎没有影响,而不同管柱尺寸对等效轴向力分布影响很大。研究结果对连续管现场作业有借鉴意义。     

连续管在水平井井筒中的力学模拟试验系统

为了更好地了解连续管在井下的力学行为,针对不同的井身结构并考虑水平井在内的全井段模型,开展了连续管井下力学试验研究。试验考虑相似原理设计和现象观察,初步采用钢丝模拟连续管,用有机玻璃管模拟井筒。拟采用人工记录和计算机数据采集系统相结合的方法记录试验数据。试验结果表明,试验系统能够较完整地模拟连续管在井筒内的屈曲、屈曲锁死、井口屈服和解除屈曲;在试验台架能力范围内,井筒的弯曲段部分仅发生平面正弦屈曲,不发生螺旋屈曲;解除屈曲过程首先释放首端轴向力,直到首端轴向力小于等于末端轴向力时,随着首端轴向力的进一步释放,末端轴向力才同步释放。     

钻柱螺旋屈曲时钻速与轴向力间的关系

在研究垂直井眼中钻柱在自重作用下发生屈曲时,一直沿用Lubinski的临界钻压条件得出结论,但该结论是在静态下考虑钻柱的失稳问题时获得的,由于钻柱还会受到其他因素的影响,因而该结论具有明显的缺陷。鉴于此,通过考虑离心力和重力对钻柱屈曲的影响,运用能量法研究了钻柱最大转速与螺旋屈曲时临界轴向力间的关系。根据能量法原理,确定钻柱的弯曲变形能等于重力做的功和离心力做的功之和,推导了钻速和轴向临界力间的数学关系表达式。研究结果发现,在工作状态下,钻柱的临界压力会明显地小于静态时的临界力,这在一定程度上弥补了Lubinski无重钻杆螺旋失稳条件的缺陷。对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

直井管柱屈曲对轴力传递的影响

管柱屈曲状态决定着接触反力的大小,从而影响管柱轴力的传递。针对压缩式封隔器坐封过程中管柱受力及变形的特点,应用微元分析法研究管柱屈曲对轴力传递的影响,编制了计算机程序模拟管柱轴力计算。使用计算机程序分析了摩擦系数、油管尺寸、井眼尺寸对管柱轴力传递的影响。     

斜直井眼中管柱变形参数仿真实验

根据物理相似原理,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置,利用该装置对管柱在斜直井眼中的钻压传递规律、位移与载荷的关系以及临界屈曲载荷进行了研究.通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力、无因次摩擦系数和无因次轴力分布系数的值,对管柱在斜直井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行了模拟实验.由钻压传递、位移及载荷的实验结果与理论计算曲线相比较得知,两者之间的最大差值不超过10%,理论临界屈曲载荷与实验求得的临界屈曲载荷之差不超过6%.其结果可为修正理论模型提供依据.     

管柱内外承压时轴向力测量技术研究

介绍了应变式传感器的结构组成及其基本原理,分析总结了应变式传感器弹性体的设计理论.着重论述了管柱内外承压时轴向力测量的基本方法,提出内压测量影响度的概念,并对不受内部液压及受内部液压影响的弹性体结构进行了对比分析.利用有限元分析软件ANSYS仿真分析了弹性体的结构强度、轴向应力及径向应力的分布情况,并优化了弹性体贴片部位的结构设计.管柱内外承压时轴向力测量技术的研究对于三维受力管柱轴向力的精确测量具有积极的意义,有利于推动深井石油及地下水的开采.     

深层高温高压气井完井测试管柱失效分析

深层高温高压油气井完井测试管柱的安全可靠对于确保深层油气的安全高效开发具有重要意义。考虑测试过程中的温压变化、管柱端部约束及屈曲摩阻等因素综合影响,建立了测试管柱受力分析模型,开发了深层高温高压气井完井测试管柱力学分析软件,对新疆顺南地区某井测试管柱进行了温度压力分析、受力变形计算和力学强度校核,揭示了该井完井测试管柱失效的原因。结果表明:利用开发的软件能够较为准确地分析高温高压井测试管柱所处的温压环境,并能对其进行受力变形分析和强度校核,可用于工程实际;该井测试管柱表面受到的局部腐蚀损伤和产生的裂纹会使管柱强度降低,是导致其失效的主要原因;该地区高温高压井中腐蚀对管柱力学强度的影响应给予特别重视。该研究可为高温高压井完井测试管柱优化设计及安全控制提供理论依据。     

摩擦对垂直井眼中管柱屈曲变形的影响

考虑在有摩擦力存在的情况下,应用Lubinski解导出了垂直井眼中管柱轴向力所满足的微分方程,积分得出了管柱轴向力的公式,并进一步得出了管柱在压缩力作用下缩短和因屈曲缩短的公式。根据不同的边界情况分析了这些公式,指出摩擦力对管柱的屈曲变形影响很大,尤其在高温油气生产时顶部或底部温度加载时,轴向力迅速增加,这是造成封隔器和井口破坏的原因之一。导出的公式简单易用,为试井工程设计提供了快速计算方法。     

管柱螺旋屈曲时接触压力的研究

在油井生产过程中管柱会受到各种载荷.管柱在轴向力作用时,在有外管壁或井壁约束的情况下,内管柱与外管壁或井壁间会产生接触压力,并可能发生螺旋屈曲,严重时会导致管柱失效.文中综述了一些学者的典型接触压力计算式,发现不同计算式间的计算结果差异很大.根据工程应用中的需要,进行了理论推导并首次对该问题作了实验检测,给出了三维光弹性应力冻结法的实验结果,探讨了管柱在屈曲时接触压力分布规律的三个阶段和工程应用的更接近实际的计算公式.在此基础上对前人所发表的不同接触压力表达式进行分析和探讨.为研究管柱屈曲时的受力情况和工程应用提供了理论与实验依据.     

水平井管柱屈曲研究中的争议

在水平井管柱屈曲临界力和屈曲后管柱与井壁的接触力这两方面研究中存在着不同的结论。本文对理论和试验的不同结论进行了分析，指出产生这种不同结论的原因，一是推导方法不同，二是试验条件不规范。认为有关这方面的研究有必要在理论、试验和现场三者结合下，建立科学计算方法，以便得到更正确的结论。     

高压气井生产管柱横向振动特性分析

高压气井生产管柱内流体的流动会诱发管柱振动,管柱振动会导致其疲劳、磨损甚至破裂,影响气井正常生产。结合油田现场实际,在考虑管柱重力的情况下,研究了高压气井生产管柱的横向振动特性。运用哈密顿原理,建立了包含生产管柱轴向力、管内流体流速和管内外流体压力等因素的生产管柱横向振动模型。运用伽辽金方法求解模型,计算并讨论了管柱重力、气井产量、井底压力和管柱底端轴向力等参数对油管振动频率及稳定性的影响。研究结果表明,管柱重力是生产管柱振动分析中不可忽略的因素;生产管柱的振动频率随着产量、井底压力以及轴向压力的增大而降低,其中井底压力和轴向压力对管柱振动频率的影响较大,产量的影响较小。     

完井管柱力学分析及工程应用

分析了完井及其管柱的特点,综合考虑井身结构、管柱结构、工作载荷、高温高压及联作等因素,给出了管柱屈曲临界载荷;综合考虑管柱屈曲状态、弯曲摩阻、井口设备、井底封隔器对管柱轴向力与变形的相互影响,给出了管柱载荷、变形、应力计算公式。结合现场实践,得到了完井管柱力学分析方法,据此进行管柱下深、载荷、强度、轴向变形等必要的计算,可得到实用的结论与可操作的建议。     

气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究

为实现气井带压作业管柱安全性的主动控制，防止管柱失稳造成页岩气井喷事故，基于力学分析，考虑作业工况和井内环境参数等复杂因素的影响，建立了管柱轴向压曲力和管柱无支撑长度理论模型，并结合压杆稳定性理论提出了管柱安全无支撑长度理论模型，计算发现，理论计算结果与文献结果相近，验证了模型的可行性。理论模型计算结果表明：管柱下入作业比上提作业更易发生失稳，井内压力越大、井内管柱长度越短、管柱尺寸越小，越易发生失稳安全问题。最后基于安全无支撑长度理论模型和现场管柱起下作业安全准则，提出了失稳区、控制区和稳定区管柱稳定性安全评估方法。研究结果可为气井带压作业管柱稳定性安全智能预警与控制方法设计提供理论依据。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

带压作业管柱极限抗弯长度计算方法及应用

带压作业技术是近年来井下作业技术发展的新亮点,它成功的关键因素包括危害识别与风险评估,作业设备及配套工具等。而管柱弯曲是带压作业主要危害之一,带压作业装置的举升系统行程越大,管柱越容易发生屈曲变形;行程越小则会影响施工效率,增加成本费用。如何科学的计算带压下管柱时的极限抗弯长度,确定举升系统最大行程是实现带压作业安全、高效作业的关键技术之一。通过研究管柱受轴向压力后变形情况,建立了非弹性变形和弹性变形的管柱极限弯曲长度计算模型,给出了计算方法,并进行了模拟计算和实例设计,为高压井带压作业安全、高效施工提供了理论依据和数据支撑。     

内外液压作用下套管柱屈曲载荷的级数解

关于油井套管柱的屈曲问题虽已经有一些研究文献，但深入系统地研究该问题的文献并不多，由于其微分方程求解困难。各文献并没有给出一致的套管临界屈曲载荷，并且给出的结果普遍偏高，文章首次将套管和内，外部液体一起考虑，建立微分方程，并用无穷级数法求解，得到了比较准确的临界屈曲载荷，论述了管柱内，外壁侧向液压对管柱发生屈曲的影响，对于开口管柱，当其处于微弯状态时，内、外壁同压力上起管柱任一截面的弯矩等于作用于底端的轴向力和沿轴线均匀分布的液柱重力所产生的弯矩。其结果可供油井设计和施工参考。     

内压和轴向载荷作用下开孔薄壁短圆筒屈曲的数值研究

采用有限单元法对内压和轴向载荷联合作用下带开孔薄壁短圆筒的屈曲现象进行了数值研究.研究模型分3组,第1组在同一部位具有不同的开孔直径;第2组在不同的位置开有相同直径的孔;第3组同一位置有相同开孔和不同的内压.结果表明,在内压和轴向载荷联合作用下的薄壁短圆筒,开孔直径对临界屈曲载荷的影响远大于开孔位置的影响.随着开孔的增大,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷迅速下降;随着内压的增大,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷也迅速下降;开孔直径不变时,开孔位置越靠近固支端,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷越大,并且在远离固支端的筒体的中上部区域内存在最危险位置.